Eine Einführung in UWB-Antennen

Inhalt

• Was ist eine UWB-Antenne?
• Verwendung dieser Antennen
• Technische Herausforderungen im Zusammenhang mit UWB
• Arten von UWB-Antennen
• Dipol
• Vivaldi
• Protokoll periodisch
• Krummsäbel
• Fraktal
• Planare Scheibe

Tamara Wilhite ist technische Redakteurin, Wirtschaftsingenieurin, Mutter von zwei Kindern und veröffentlichte Science-Fiction- und Horror-Autorin.

Was ist eine UWB-Antenne?

UWB steht für Ultra-Breitband- oder Ultra-Breitband-Frequenzen. Die FCC hat die Frequenzen 3,1 GHz bis 10,7 GHz für die Verwendung von Ultra-Breitband (UWB) in den USA reserviert. Frequenzen über 10,7 GHz sind meistens Satellitenfernsehen und Militärradar. Eine UWB-Antenne empfängt diese Frequenzen.

Verwendung dieser Antennen

Im Folgenden sind einige häufige und ungewöhnliche Verwendungszwecke von UWB-Antennen im Laufe der Zeit aufgeführt:

• Der UWB-Bereich wird für einfache FM-Signale verwendet, wenn das Signal über 500 MHz verteilt ist. Das Signal ist in diesem Bereich so dünn gestreut, dass dadurch nicht viel Interferenz entsteht. Dies ist jedoch eine seltene Verwendung von UWB.
• Orthogonales Frequenzmultiplexing oder OFDM ist eine weitere Verwendung von UWB. Damit können Sie Tausende von Signalen mit Datenraten von über 250 Megabit pro Sekunde ausführen. Die Demodulation der Signale ist rechenintensiv. Durch das Senden der Signale über mindestens 500 MHz wird jedoch jedes dieser Signale kaum gestört. Dieses breite Signal ist für das untere UWB-Band wichtig, damit UWB-Antennen die GPS- und Satellitenkommunikation bei einem Spektrum unter 6 GHz nicht stören.
• Die Impuls- oder Impulspositionsmodulation ist der ursprüngliche Signalmodulationstyp für Vivaldi-Antennen. Das schnell pulsierende Signal wird von einem Oszillator erzeugt, der mehrere Sinuswellen erzeugt, die auf einer Frequenz wie 6 GHz zentriert sind. Diese Technologie kommt den Squelch-Oszillatoren nahe, die seit dem frühen 20. Jahrhundert in superregenerativen Schaltkreisen verwendet werden.
• Einige der frühen Anwendungen von UWB-Antennen waren UHF-TV, Mobiltelefone und GPS. GPS hat Ultra-Breitband-Antennen frühzeitig abgeschaltet, weil es die von der FAA empfohlenen Navigationssysteme störte. Sensordatenerfassungs- und Standortverfolgungsanwendungen verwenden heute manchmal den UWB-Frequenzbereich.

Technische Herausforderungen im Zusammenhang mit UWB

Bei Ultrawide-Bandantennen gibt es zwei technische Herausforderungen.

1. Das erste Problem ist Bandbreite. Die Antenne muss über mehrere Gigahertz Bandbreite arbeiten.
2. Das zweite Problem ist das Q.die Bandbreite der Antenne relativ zur Mittenfrequenz der Bandbreite.

Resonanzantennen haben normalerweise eine hohe Güte. Bei UWB Vivaldi-Antennen dauert es einen Bruchteil einer Sekunde, bis sich die Antennenimpedanz stabilisiert hat. Dies spielt keine Rolle, wenn Sie Amateurfunk-Signale senden. Dies wirkt sich jedoch auf das Signal aus, wenn die UWB-Antenne für ein Hochgeschwindigkeits-Datennetz oder ein hochauflösendes Radarsystem verwendet wird. Der Sekundenbruchteil, der zum Aufwärmen auf die volle Impedanz benötigt wird, bedeutet, dass die Sender- und Antennenimpedanz für die kurzen Signale sehr unterschiedlich ist als für ein CW-Signal.

Diese Art von schnellem Modulationssignal erfordert auch den Aufbau einer Spannung, was das gesendete Signal verzögert. Dies verlängert und verzögert die Daten, die häufig in Anwendungen gesendet werden, in denen die Antwortzeit von entscheidender Bedeutung ist.

Arten von UWB-Antennen

Im Folgenden finden Sie einige kurze Erläuterungen zu einigen Antennentypen.

Dipol

Die einfachste Antenne ist eine Dipolantenne. Wenn die Elemente in der Antenne länger werden, steigt die Verstärkung.

Vivaldi

Die gebräuchlichsten Ultra-Breitband-Antennen (UWB) sind Vivaldi-Antennen. Vivaldi-Antennen werden auch Exponentialantennen genannt. Laut Wikipedia ist eine Vivaldi-Antenne eine koplanare (zweiseitige) Breitbandantenne aus einer beidseitig metallisierten dielektrischen Platte. Eine Vivaldi-Antenne ähnelt einer Übertragungsleitungsantenne und bietet eine sehr große Bandbreite und eine bescheidene Verstärkung, jedoch einen sehr geringen Umlaufstrom.

Eine übliche Methode zur Herstellung von Vivaldi-Antennen ist die Verwendung von Leiterplatten, wodurch die Kosten pro Einheit niedrig sind. Vivaldi-Antennen können für einen weiten Frequenzbereich verwendet werden, werden jedoch häufig als UWB-Antennen verwendet. Einer der Vorteile der Verwendung von Vivaldis als UWB-Antennen besteht darin, die Eingangsimpedanz mit der Ausgangsimpedanz abzugleichen (Impedanzanpassung), um die Leistungsübertragung zu maximieren oder die Signalreflexion zu minimieren.

Protokoll periodisch

Logarithmische periodische Antennen bestehen aus einer Anordnung von Dipolen. Dieses Design bewirkt, dass das Signal mitschwingt und einen scharfen Impuls ausdehnt. Es gibt kleinere logarithmische periodische Antennen, die den UWB-Frequenzbereich abdecken, wie die logarithmische periodische Antenne mit 2 bis 11 GHz.

Krummsäbel

Die Scimitar-Antenne ist eine krallenförmige Kurve, die einem Scimitar-Schwert ähnelt, wobei die inneren und äußeren Kurven einen unterschiedlichen Radius haben. Scimitar-Antennen haben einen Innenradius, der den Hochfrequenzwert der Antenne festlegt, und einen Außenradius, der den Niederfrequenzbereich festlegt. Eine Scimitar-Antenne mit einer Bandbreite von 400–1500 MHz hat eine natürliche Eingangsimpedanz von etwa 20 Ohm.

Fraktal

Fraktalantennen verwenden ein Fraktalmuster oder ein selbstähnliches Muster, um die Länge oder den Umfang der Antenne zu maximieren, die ein Signal senden oder empfangen kann. Der häufigste Typ von UWB-Fraktalantennen verwendet ein dreieckiges Fraktalmuster. Es gibt einen enormen Hype um fraktale Antennen. Ich weiß, dass kein kommerzielles Produkt tatsächlich eines in großem Maßstab verwendet, was viel darüber aussagt, wie gut sie in der realen Welt funktionieren.

Planare Scheibe

Die unten gezeigte planare 2–26-GHz-Plattenantenne und andere planare Plattenantennen decken ebenfalls den Ultra-Breitband-Frequenzbereich ab.

Dieser Artikel ist genau und nach bestem Wissen des Autors. Der Inhalt dient nur zu Informations- oder Unterhaltungszwecken und ersetzt nicht die persönliche Beratung oder professionelle Beratung in geschäftlichen, finanziellen, rechtlichen oder technischen Angelegenheiten.